La integración de sistemas activos de producción energética en la

CONSTRUCCION IV – SISTEMAS DE LA ENVOLVENTE
La integración de sistemas activos de producción
energética en la envolvente del edificio. Taxonomía
constructiva
Departament de Construccions Arquitectòniques II
Autor: Oriol Paris Viviana
Coordinador Asignatura: Antoni Caballero Mestres
La integración de sistemas activos de producción energética en la
envolvente del edificio. Taxonomía constructiva
Índice
1 Prólogo
4 2 Introducción
7 3 Criterio de clasificación
8 3.1 Clasificación general para la integración
8 3.2 Clasificación de sistemas de fachada
10 3.3 Clasificación de sistemas de cubierta
13 4 Aplicaciones y productos de mercado
15 4.1 Sistemas para fachada
16 4.2 Sistemas para cubierta
22 5 Conclusiones
24 5.1 Sistemas para fachada
24 5.1.1 Soporte continuo
25 5.1.2 Soporte discontinuo
27 5.2 29 Sistemas para cubiertas
5.2.1 Soporte continuo
30 5.2.2 Soporte discontinuo
32 6 34 Webgrafía
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Prólogo
Una de les conversaciones más recurrentes de los profesores de CIV –Sistemas Envolventes- es
precisamente la Taxonomía constructiva de la envolvente, y no por un problema posicional de los
elementos que como puede entenderse sería muy rápido, si no por aquellos conceptos que creemos
que deberíamos ser fieles. Conceptos que nacen des de la propia Idea del Espacio hasta la
hermenéutica arquitectónica de mismo, ya que es la envolvente uno de los sistemas que han de
asumir la responsabilidad arquitectónica de delimitar el espacio.
El problema pues de la envolvente nos ha llevado a considerar tres aspectos:
El Concepto físico del Espacio y su hermenéutica arquitectónica
Albert Einstein concretó tres conceptos de Espacio1
“El Concepto Aristotélico del Espacio”, el espacio como lugar.
“El Concepteo Newtoniano de la Idea absoluta del Espacio”, el espacio como contenedor.
“El Concepto de Espacio como un campo cuadrimensional” con la introducción del tiempo, el
espacio cambiante según el momento en que lo observamos.
1
Albert Einstein, pròleg a Concepts of Space, pàg. 11-15
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Arthur
Schopenhauer,
que no
considera
el
Espacio
como
contenido
de
la
forma
arquitectónica
El Concepto funcional del material de la envolvente “El tema de la Arquitectura es la carga y el
suporte, y su ley fundamental consiste en que ninguna carga tiene que existir sin un soporte
suficiente, y ningún soporte sin una carga adecuada”2
El Concepto constructivo del Espacio físico
Lao-Tse3 (550 a. De C)
“Treinta rayos convergen en el cubo de la rueda; Y de esta parte, en la que no hay nada,
depende la utilidad de la rueda”. La envolvente construida con la idea del ‘discontinuum’. El
muro tectónico evidencia la función y los esfuerzos estructurales de cada una de las partes.
“La arcilla se moldea en forma de vasos, Y precisamente por el espacio donde no hay arcilla es
por lo que podemos utilizarlos como vasos”. La envolvente construida con la idea del
‘continuum’. El muro estereotómico, la construcción ‘in situ’.
“Abrimos puertas y ventanas en las paredes de una casa. Y por esos espacios vacios podemos
utilizarla”. La ausencia de material por sustracción, la Arcada. La ausencia por no construcción,
la Columnata.
A estos tres aspectos debemos sumarle el de la envolvente como frontera capaz de asumir la
transición, tal y como decía el profesor Rafael Serra, entre las exigencias y las prestaciones,
2
Arthur Schopenhauer, citat per la traducció de H.B. Haldane, The World as Will and Idea, Londres, Kegan Paul, 1950, vol 1,
suplement al llibre III, cap. XXXV, “ On the Aesthetics of Arqchitecture, pag. 182
3
Lao Tse, Tao Te-Ching, citat per la trad. anglesa. de J.C.H. Wu, New York, St. John University Press, 1961, cap XI
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adaptando la frontera a verdaderos espacios de transición, entendidos como sistemas pasivos de
captación energética.
Es en estos apuntes del profesor Oriol Paris podemos observar unas primeras aproximaciones de una
taxonomía de la construcción de la envolvente con una clara intencionalidad de integración, donde la
especialización del espacio de transición exige la adaptación de nuevos elementos, en este caso
sistemas activos de producción energética.
Antoni Caballero i Mestres
Profesor Titular del Departamento de Construcciones Arquitectónicas II
Coordinador de la asignatura de Sistemas envolventes
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2
Introducción
La creciente consciencia medio ambiental y un cierto impulso desde la actual normativa (CTE) está
extendiendo el uso de las energías renovables en España. Evidenciado por un gran potencial
energético dada su latitud y condiciones climatológicas parece evidente la necesidad de implementar
a gran escala el uso de la energía fotovoltaica en nuestros edificios.
¾ Pensar en integración fotovoltaica no es solamente incorporar elementos de
captación solar en nuestros edificios sino utilizarlos como una herramienta más del
proyecto.
En este sentido, se ha querido definir un sistema genérico de clasificación a las posibilidades de
integración fotovoltaica. Conscientes de la variedad formal y arquitectónica del un proyecto y de las
infinitas maneras de integrar los sistemas de captación solar, se ha hecho un esfuerzo de síntesis
para permitir englobar el máximo de sistemas distintos.
Sin perder de vista el objetivo final, se ha planteado un esquema de clasificación basado en el
lenguaje arquitectónico y sistemas constructivos, donde finalmente poder relacionarlo con los
productos actualmente disponibles en el mercado y detectar los vacíos para posibles nuevos
productos.
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3
Criterio de clasificación
Debido a la gran variedad y dispersión de los sistemas de integración fotovoltaica que actualmente se
disponen al mercado se plantea un primer criterio de clasificación. Este criterio permite conceptualizar
las diferentes maneras de integrar los elementos fotovoltaicos en los edificios de tal forma que la
primera entrada en la selección del sistema esté relacionada con la imagen final del edificio y el
sistema tecnológico utilizado.
La metodología permite partir de la imagen global del edificio filtrando todos aquellos sistemas que de
otra forma interferirían a la selección óptima del sistema.
Se ha diferenciado entre sistemas de fachada y sistemas de cubierta teniendo en cuenta que muchos
de estos pueden ser utilizados en ambas situaciones así como en situaciones intermedias.
El criterio de clasificación general que une ambas situaciones y en cualquier intervención en
integración fotovoltaica es el siguiente:
3.1 Clasificación general para la integración
La tabla presentada a continuación define los principales criterios de clasificación adoptados según
afectación en la envolvente del edificio:
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Descripción
Fachada
Descripción
A
Sistemas de integración
fotovoltaica que inciden
directamente en el hueco de la
envolvente integrados en el plano.
Comprende sistemas fijos y
móviles
Sistemas de integración fotovoltaica
que inciden directamente en el hueco
de la envolvente integrados en el
plano.
Comprende sistemas fijos y móviles
B
Sistemas de integración
fotovoltaica alrededor del hueco
de la envolvente integrados en el
plano.
Pudiendo ser opaco o translúcido.
Sistemas de integración fotovoltaica
que inciden directamente en el hueco
de la envolvente generando un nuevo
plano.
Comprende sistemas fijos y móviles
C
Sistemas de integración
fotovoltaica que cubren la
totalidad de la envolvente.
Independientemente de la
existencia de hueco, pudiendo ser
opaco o translúcido.
Sistemas de integración fotovoltaica
que cubren la totalidad de la
envolvente.
Independientemente de la existencia
de hueco, pudiendo ser opaco o
translúcido.
D
Sistemas de integración
fotovoltaica que generan un nuevo
plano.
Independientemente de la
existencia de hueco, pudiendo ser
opaco o translúcido.
Sistemas de integración fotovoltaica
que generan un nuevo plano.
Independientemente de la existencia
de hueco, pudiendo ser opaco o
translúcido.
Cubierta
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3.2 Clasificación de sistemas de fachada
De los sistemas de integración fotovoltaica orientados a envolventes de fachada se diferencian dos
posibles caminos:
Soluciones de soporte discontinuas
•
Soluciones de fachada muy industrializadas donde la conformación del soporte principal es a
base de elementos lineales o planos que forman la hoja principal de la fachada y presentan
soluciones muy ligeras de fachada (50-200Kg/m²)
Soluciones de soporte continuo
•
Soluciones de fachada conformadas a base de la ordenación de pequeños elementos o
moldeado de materiales amorfos con sistemas poco industrializadas y responden a soluciones
pesadas de fachada (>200Kg/m²)
Matriz de clasificación
Para establecer el criterio se ha conformado una matriz que cruza
tres CRITERIOS:
1-Clasificación general
2-Tipo de soporte
3-Posición relativa sobre el plano de fachada
SOLUCIONES DE SISTEMA DE FACHADA CON SOPORTE
DISCONTINUO
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SOLUCIONES DE SISTEMA DE FACHADA CON SOPORTE CONTINUO
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3.3 Clasificación de sistemas de cubierta
Para los sistemas de integración fotovoltaica orientados a envolventes de cubierta se han aplicado los
mismos criterios que para fachadas:
Soluciones de soporte discontinuas
•
Soluciones de cubierta muy industrializadas donde la conformación del soporte principal es a
base de elementos lineales o planos que forman el soporte principal de la cubierta y presentan
soluciones muy ligeras de cubierta (50-200Kg/m²)
2
Soluciones de soporte continuo
•
1
2
Soluciones de cubierta conformadas a base de la ordenación de elementos
poco industrializados con moldeado de materiales amorfos que responden a
soluciones pesadas de cubierta (>200Kg/m²)
Matriz de clasificación
1-Clasificación general
2-Tipo de soporte
3-Posición relativa sobre el plano de cubierta
3
3
SOLUCIONES DE SISTEMA DE FACHADA CON SOPORTE CONTINUO Y DISCONTINUO
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4
Aplicaciones y productos de mercado
En base el criterio aplicado de clasificación de sistemas, se han desarrollado las siguientes fichas que
relacionan criterio-producto-imagen arquitectónica, donde se relacionan diferentes empresas que
ofrecen productos destinados a la producción fotovoltaica.
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4.1 Sistemas para fachada
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4.2 Sistemas para cubierta
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Conclusiones
El resultado de la clasificación de los sistemas tanto de fachada como de cubierta permite apuntar a
posibles desarrollos de productos. La lectura de las conclusiones se hace bajo criterios constructivos y
compositivos de fachadas.
En la primera parte se citan productos y empresas que actualmente aportan sistemas propios
preparados para ser colocados en cualquier proyecto y finalmente se presenta una visión personal de
hacia donde podrían evolucionar los nuevos sistemas teniendo en cuenta algunos de los vectores de
evolución del sector de la construcción.
5.1 Sistemas para fachada
La clasificación por tipo de soporte continuo o discontinuo del sistema fotovoltaico implementado
ofrece a su vez la diferenciación entre las dos tecnologías constructivas y el resultado del conjunto de
la fachada.
¾ Para los sistemas de soporte continuo los elementos fotovoltaicos prácticamente no
aportan ningún requerimiento funcional al conjunto de la fachada y por el contrario,
los sistemas de soporte discontinuo normalmente resuelven los requerimientos del
conjunto de la fachada.
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5.1.1 Soporte continuo
Las soluciones de integración arquitectónica para sistemas de fachada con soporte continuo,
presentan una importante variedad. Aparecen diversos sistemas implementados al conjunto de la
fachada que complementan algunas de las funciones básicas del conjunto. Pocas veces y solo en
algunos casos como pasa para soluciones de aplacado de fachada o fachada ventilada, el sistema de
montaje pertenece a la tecnología del muro cortina.
Montantes y travesaños podrían ser suministrados por la propia empresa de módulos fotovoltaicos
hasta llegar a presentarse como un sistema completo ‘llaves en mano’. La empresa garantizaría el
conjunto de la hoja exterior y el buen funcionamiento de los módulos.
Empresas como Solar Fabrik, presentan un sistema completo de montantes y elementos de fijación
para el montaje de módulos fotovoltaicos como sistema para cubierta. Fácilmente sería aplicable en
sistemas de fachada y aprovechar la cámara drenada vertical como garantía a la estanqueidad del
conjunto, a modo de fachada ventilada.
Los pocos sistemas que se han podido localizar responden a soluciones concretas para los proyectos,
prácticamente en ningún caso son soluciones repetibles como sistema. En estos casos, con mayor o
menor ingenio la empresa i arquitecto consiguen resolver la fachada integrando los sistemas de
captación fotovoltaica bajo la responsabilidad de éste último.
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Para los sistemas de fachada ventilada o aplacados debería mejorarse los elementos de montantes,
travesaños y/o elementos de fijación. Los módulos fotovoltaicos pueden interpretarse a modo de
placas de fachada ventilada pero hay que tener en cuenta aspectos como: solución y dimensión de
junta vertical y horizontal, sistema de anclaje visto u oculto y capacidad de modulación de la fachada,
así como aspectos de montaje y desmontaje de los elementos y reversibilidad del sistema.
El desarrollo de un sistema de montaje que facilite la intercambiabilidad de las piezas de acabado de
la hoja exterior potenciaría la utilización de aplacados de fachada con módulos fotovoltaicos, abriendo
la posibilidad a múltiples composiciones de fachada sin comprometer la imagen final del edificio. Esto
motivaría al proyectista a considerar la placa fotovoltaica como un acabado más de la fachada
abriendo un amplio espectro de posibilidades en el mercado.
Parece clara la mejora en el comportamiento higrotérmico del sistema de fachada. Tanto en temas de
estanqueidad, garantías del sistema o rendimiento térmico en orientaciones este y oeste la solución
de una hoja exterior con captación fotovoltaica aporta beneficios al conjunto de la fachada.
Estrategias cómo las aportadas por el ‘muro trombe’, podrían aportar mayor rentabilidad al conjunto
de la fachada.
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5.1.2 Soporte discontinuo
Posiblemente esta es la situación en la que más y mejores soluciones de fachada se presentan en el
mercado actual. La mayoría de empresas que disponen de sistemas de fachada para muro cortina
han aportado modificaciones a sus montantes y travesaños para intercambiar zonas acristaladas por
módulos fotovoltaicos. La proximidad entre ambas tecnologías y la casi perfecta integración en el
sistema ha facilitado la viabilidad de la solución.
Las soluciones no solo pasan por la substitución del translucido por el opaco o del sol a sombra si no
que incluyen sistemas de captación con elementos horizontales que a su vez proyectan sombras
sobre la fachada.
Schüco, Technal, Reynaers, kawneer etc… aportan sistemas más o menos estudiados para la
construcción de dichas fachadas, pero mantienen la misma incógnita que sucede en los sistemas
discontinuos de cubierta: cómo podemos solucionar sistemas mixtos de fachada?
Utilizar sistemas de muro cortina es una solución muy específica para cierto número de proyectos o
casos. Dada la repercusión económica, el nivel tecnológico y la imagen final del conjunto limitan
mucho su utilización en cualquier edificación.
Entendiendo que uno de los vectores de evolución del sector de la construcción es la racionalización
de las soluciones constructivas y que aparecen cada día más soluciones de soporte discontinuo para
sistemas de fachada deberíamos pensar en adaptar el sistema de perfilería y sujeción para distintas
posibilidades de acabado, abriendo así un campo infinito de composiciones de fachada.
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La tecnología de muro cortina y la integración de elementos fotovoltaicos ampliaría cuota de mercado
ofreciendo la capacidad de resolver sistemas de fachada opacos y altamente aislantes para satisfacer
las necesidades de cualquier parte del el sector y evolucionar la tecnología aplicada.
Los sistemas de muro cortina ventilados permitirían aumentar el rendimiento de las placas
fotovoltaicas con la propia convección en el conjunto de la cámara. La solución apunta a plantear a
estrategias basadas en el sistemas de ‘muro trombe’ aunque con baja inercia térmica.
¾ La modificación en la sección de los perfiles laminados nos permite fácilmente la
incorporación de distintas secciones constructivas con diversidad de composición y
acabados
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5.2 Sistemas para cubiertas
La diferenciación entre sistemas de soporte continuo y sistemas de soporte discontinuos permite a su
vez introducir conceptos de fragilidad y compromiso del sistema.
Para los sistemas de soporte continuo conceptos como la estanqueidad, el aislamiento térmico o la
protección a la radiación solar queda, generalmente, bien resueltos. La responsabilidad del conjunto
del sistema no recae exclusivamente a la envolvente fotovoltaica y en muchas ocasiones tan solo
aportar algún beneficio al comportamiento térmico pasivo de nuestros edificios.
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5.2.1 Soporte continuo
Generalmente aparecen como sistemas añadidos al conjunto de cubierta de forma continua o
discontinua y con poca capacidad de transmisión luminosa hacia el espació interior. Aunque el
sistema fotovoltaico quede claramente integrado a las distintas envolventes arquitectónicas adquiere
prácticamente una única función captadora.
De los sistemas observados pocas veces la propia empresa ofrece un sistema de cubierta completo,
acostumbran a presentar sus productos aplicados en diferentes proyectos pero generalmente no
ofrecen un propio sistema constructivo para el conjunto de cubierta, se recorre a empresas del sector
para resolver conjuntamente la envolvente deseada.
SolarTech y ThyssenKrupp con un sistema de célula amorfa fotovoltaica adherida a un panel sándwich
propone el conjunto como solución completa de cubierta o empresas como SolarWall o Suntech
empiezan a abrir caminos para proponer un sistema propio pero que actualmente todavía no ofrecen.
Por otro lado encontramos empresas como Acieroid sin tradición fotovoltaica que aprovecha su
experiencia en soluciones constructivas para lanzar ACSOL, un producto de integración fotovoltaica
para cubiertas ‘llaves en mano’.
En este sentido parece una evolución lógica para los sistemas de integración fotovoltaica de cubierta
en soportes continuos, empresas que disponen de soluciones completas de cubierta y que garantizan
requerimientos de soleamiento, aislamiento térmico, acústico y sobretodo de estanqueidad al agua,
busquen soluciones que integren sistemas de captación fotovoltaica para ofrecer el sistema completo.
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La cubierta plana ventilada se presenta como otra solución importante de desarrollo. Dicho sistema,
debido a los requerimientos de estanquidad y ventilación plantea un campo amplio de aplicación.
Un diseño adecuado de los elementos de soporte permitiría intercambiar las placas de acabado,
habilitando así multifuncionalidad en la cubierta sin perder su capacidad impermeable y aislante.
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5.2.2 Soporte discontinuo
Aquí es donde en mayor medida existen sistemas de integración fotovoltaica para cubierta. En
prácticamente todos los casos dichos sistemas son herencia de la tecnología heredada de los sistemas
de muro cortina de fachada. Normalmente las empresas que ya disponen de sistemas para fachada lo
utilizan para cubierta redimensionando los perfiles principales.
Claro está que las estrategias utilizadas en fachada para garantizar la estanqueidad entre módulos no
siempre son directamente aplicables para cubierta pero dado el nivel tecnológico del sistema no
presenta importantes dificultades. Schüco, Reynaers o Technal disponen de sistemas para garantizar
dichos requerimientos estancos pero en pocos casos aportan la posibilidad de alternar sistemas
opacos con translúcidos.
Los sistemas de cubierta dada su posición inclinada u horizontal presentan importantes dificultades
de control térmico del edificio. En un clima como el de la península ibérica de baja latitud las
edificaciones necesitan importantes medidas de protección solar por sobrecalentamiento en verano
(2.000KWh/m2). La posición horizontal del plano es un buen captador energético y como tal tiene
que poder controlarse.
La mayoría de sistemas para cubierta que actualmente se disponen al mercado español provienen de
empresas del norte de Europa, evidenciando su necesidad climatológica para el confort. La radiación
incidente
puede
estar
alrededor
de
los
1.000KWh/m2
y
con
una
temperatura
ambiental
sustancialmente inferior a la nuestra.
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Este hecho motiva pensar que la implantación de dichos productos en cubierta deberían apuntar en
otra dirección, necesitan adaptarse al clima para presentarse como una solución viable al mercado.
No se ha podido encontrar sistemas de cubierta ligeros con soporte discontinuo que contemplen la
posibilidad de garantizar un valor de transmitáncia válido para el cumplimiento de la actual normativa
en edificios convencionales. La integración de elementos altamente aislantes y ligeros podrían cubrir
este vacío constructivo.
La modificación en la sección de los perfiles laminados nos permite fácilmente la
incorporación de distintas secciones constructivas con diversidad de composición y
acabados
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6
Webgrafía
3-S
FAÇADES
http://www.3-s.ch/en/solar-systems/facades/facades.html
SHADING
http://www.3-s.ch/en/solar-systems/shading/shading.html
ROOF
http://www.3-s.ch/en/solar-systems/roof-integration/roof-integration-megaslate.html
AVANZZA
http://www.avanzza-japan.com/bipv/
COLT
SHADING
http://www.colt.es/Catalogos/Shadowings_EN.pdf
CONERGY
http://www.conergy.es/PortalData/6/Resources/products/photovoltaic_modules/050508_Catalogo_de_productos.pdf
ERTEX SOLAR
http://www.ertex-solar.at
KAWNEER
http://www.kawneer.com/kawneer/spain/es/product.asp?cat_id=1690&prod_id=3775
NAPS SYSTEMS
http://www.napssystems.com/products/building_integrated/products/special_mounting/solar_glazing.html
REYNAERS
http://www.reynaers.com/ReynaersAluminium/es/sp/elaboradores/noticias/nueva_gama_solar.aspx
SCOTT
SHADING
http://www.schott.com/photovoltaic/english/products/pv_building_solutions/facade_overhead_glazing/functions/design.html
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ROOF
http://www.schott.com/photovoltaic/english/products/pv_building_solutions/indax_roof_integrated/index.html
SCHEUTENSOLAR
http://www.scheutensolar.com/view.php?nid=354
SCHÜCO
http://www.schueco.com/web/es/particulares/productos/sistemas_solares/energia_solar_fotovoltaica
SOLAR FABRIK
ROOF
http://www.solar-fabrik.com/modules-systems/products/installation-hardware/
SUNTECH
SHADING
http://www.suntech-power.com/en/products/msk_solar.php
ROOF
http://www.suntech-power.com/en/products/black_label.php
SUNTECHNICS
http://www.suntechnics.com/es/fv_arquitectos.htm
TFM
http://www.tfm.es/
THYSSENKRUPP SOLARTEC
http://www.thyssen-solartec.com/
VELUX
http://www.velux.es/Products/Solar/
VIDURSOLAR
http://www.vidursolar.es/es/energia.htm#tecsolar
OTROS
INDICE SUIZO DE INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA
http://www.bipv.ch/esempi_moduli_e.asp
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